космические лучи

Голубое свечение в воде вокруг ядерного реактора — это свет, который рождается, когда заряженная частица обгоняет свет в этой среде. Эффект открыл Павел Черенков в 1934 году, а теорию дали Игорь Тамм и Илья Франк. С тех пор черенковское излучение стало рабочим инструментом: от детекторов частиц до астрофизики.

Ночное небо кажется спокойным, но на самом деле оно пронизано невидимым дождём из заряженных частиц — космических лучей. Учёные давно пытаются понять, где рождаются самые энергичные из них. До недавнего времени считалось, что наша Галактика поставляет частицы вплоть до энергии около 4 ЭэВ — так называемой «лодыжки» на спектре.

Частица с энергией $$10^{18}$$ эВ врезается в атмосферу Земли — это как если бы теннисный мяч, летящий со скоростью 200 км/ч, врезался в стену. Откуда берутся такие снаряды, астрофизики спорят десятилетиями. Гамма-всплески — кратковременные мощные взрывы гамма-излучения — давно подозревали в роли ускорителей.

Ночное небо кажется спокойным, но на самом деле оно пронизано невидимым дождём из заряженных частиц — космических лучей. Учёные давно пытаются понять, где рождаются самые энергичные из них. До недавнего времени считалось, что наша Галактика поставляет частицы вплоть до энергии около 4 ЭэВ — так называемой «лодыжки» на спектре.

Частица с энергией $$10^{18}$$ эВ врезается в атмосферу Земли — это как если бы теннисный мяч, летящий со скоростью 200 км/ч, врезался в стену. Откуда берутся такие снаряды, астрофизики спорят десятилетиями. Гамма-всплески — кратковременные мощные взрывы гамма-излучения — давно подозревали в роли ускорителей.

В центре Млечного Пути, где сверхмассивная чёрная дыра Стрелец A* ворочает облака газа, как мельница жернова, астрономы уловили неровный пульс. Гамма-излучение — самый энергичный свет во Вселенной — доходит оттуда не ровной волной, а с изломом, будто сердце Галактики бьётся с перебоями.

Космические лучи — это заряженные частицы (в основном протоны и атомные ядра), которые движутся в межзвёздном пространстве со скоростями, близкими к скорости света. Их энергия может в миллионы раз превышать энергию частиц, достижимую в самых мощных земных ускорителях.

В июле 1969 года, когда «Аполлон-11» летел к Луне, астронавты заметили нечто необычное: короткие вспышки света, которые появлялись даже с закрытыми глазами. Сначала это списали на усталость, но вспышки повторялись у разных экипажей. Постепенно стало ясно: виноваты космические лучи — поток заряженных частиц, летящих сквозь космос с огромной скоростью.

Ночное небо кажется спокойным, но на самом деле сквозь нас постоянно пролетают невидимые частицы — космические лучи. Среди них есть электроны и их античастицы — позитроны. Когда они сталкиваются с детекторами на спутниках или воздушных шарах, приборы фиксируют их энергию.

Пульсар PSR J1740+1000 — это нейтронная звезда размером с город, вращающаяся быстрее кухонного блендера. После взрыва сверхновой от неё осталось сверхплотное ядро, разгоняющее заряженные частицы до скоростей, близких к световой.

Космические лучи — это не электромагнитное излучение, а поток заряженных частиц, в основном протонов и атомных ядер, которые бомбардируют Землю со всех сторон с энергиями от скромных до фантастически огромных.

Протон или атомное ядро, разогнанное до огромной скорости, врезается в атмосферу Земли — и рождается каскад из миллиардов вторичных частиц. Этот широкий атмосферный ливень несётся к поверхности, а чуткие телескопы ловят его бледное свечение — флуоресцентное излучение, возникающее при возбуждении молекул воздуха.

Тёмная материя — невидимый каркас Вселенной. Её существование выводится из гравитационного влияния на движение звёзд и галактик, но состав этого каркаса остаётся загадкой. Одна из гипотез — сверхлёгкие частицы, напоминающие аксионы. Они почти не взаимодействуют с обычным веществом, однако в редких случаях могут проявлять себя.

Глубоко подо льдом Южного полюса, на глубине почти два с половиной километра, работает необычный телескоп. Он направлен не в небо, а сквозь Землю. Его добыча — нейтрино, частицы-призраки, которые почти не взаимодействуют с веществом и пролетают планеты и звёзды насквозь. Но иногда нейтрино всё же врезается в молекулу льда.

Сразу после Большого взрыва пространство остывало неравномерно. В некоторых местах могли возникнуть топологические дефекты — складки пространства, тонкие, как волос, но невероятно плотные нити энергии. Физики называют их космическими струнами.

В центре далёкой галактики, где вращается сверхмассивная чёрная дыра массой в сто миллионов солнц, пространство пронизано магнитными полями. Они закручены в тугие вихри — словно воронка в раковине, только вместо воды там плазма, разогнанная до околосветовых скоростей.

Пятнадцать лет наблюдений гамма-телескопа Fermi вскрыли трещину в полу Галактики. Южнее скопления Westerlund 1 — самого массивного молодого звёздного скопления в Млечном Пути — обнаружено протяжённое свечение, совпадающее с полостью в атомарном водороде. Это не просто ещё один пузырь, выдутый ветрами и сверхновыми.

Пятнадцать лет наблюдений гамма-телескопа Fermi вскрыли трещину в полу Галактики. Южнее скопления Westerlund 1 — самого массивного молодого звёздного скопления в Млечном Пути — обнаружено протяжённое свечение, совпадающее с полостью в атомарном водороде. Это не просто ещё один пузырь, выдутый ветрами и сверхновыми.

Загадка антивещества в космосе не давала покоя астрофизикам: откуда берутся позитроны, что снежинками оседают в детекторах? Ответ может прятаться в самом вездесущем гамма-фоне. Вселенная пропитана рассеянным светом — космическим фотонным фоном (CPB).

В безмолвном океане Галактики зрелые цивилизации, вероятно, давно избрали неожиданную стратегию: вместо громогласных маяков они рассеивают тихих светлячков — автономные межзвёздные лазерные маяки, дрейфующие в пустоте и роняющие микросекундные вспышки. Эти «семена контакта» не привязаны к родным звёздам и не гаснут в их сиянии.

Долгое время астрономы искали «фабрики» самых энергичных космических лучей — частиц, несущих в себе макромир, сжатый до размеров атомного ядра. Под подозрением были колоссальные области звездообразования вроде Лебедя OB2, где сталкиваются ветры молодых гигантов. Но природа, как фокусник, спрятала сердце ускорителя в ином месте — внутри тесной двойной системы.

Невидимая рука тёмной материи сжимает галактики в объятия гравитации, но её природа ускользает уже почти век. Ещё Фриц Цвикки заподозрил скрытую массу в скоплениях, а Вера Рубин показала, что звёзды на окраинах кружатся слишком быстро — словно их подгоняет невидимый дирижёр.

Полвека назад Фриц Цвикки заметил, что видимой материи в скоплениях галактик катастрофически не хватает для объяснения гравитации. Сегодня мы знаем, что значительная часть обычного вещества — те самые барионы — прячется в разреженной плазме между звёздами и галактиками, в гигантской паутине из водорода и гелия.

Космические лучи не летят по прямой. Заряженные частицы, разогнанные до огромных скоростей, петляют в магнитном поле Галактики, словно пылинки в потоке ветра. Обычно считается, что они просто рассеиваются вдоль и поперёк силовых линий.

Вселенная — огромный оркестр, исполняющий партитуру расширения. Галактики разбегаются в такт неслышной музыке тёмной энергии. Но вот беда: дирижёрская палочка, которую держат Эдвин Хаббл, Адам Рисс и Вера Рубин, задаёт два несовместимых темпа.

Пожарный шланг бьёт в сугроб. Вода не просто расталкивает снег — в месте удара рождаются брызги, пар и грохот. Примерно так же ведут себя джеты — узкие струи вещества, вылетающие из окрестностей чёрной дыры на огромной скорости. Когда такая струя врезается в облако межзвёздного газа, она не протыкает его насквозь, а создаёт ударную волну, сжимает газ и заставляет его светиться.

Каждую секунду сквозь тело проходит около сотни невидимых частиц — мюонов. Они рождаются высоко в небе, когда космические лучи сталкиваются с атомами воздуха, и дождём сыплются на Землю. Эти частицы настолько проникающие, что могут пройти сквозь многоэтажное здание, но при этом слегка меняют направление, встретив плотное вещество — например, свинец или уран.

Кузнечные меха раздувают огонь, резко выталкивая воздух. В космосе роль таких мехов играет ударная волна от сверхновой — взрыва массивной звезды, термин для которого ввёл Фриц Цвикки.

Тайна главного излома в спектре галактических космических лучей — колена при 3 ПэВ — хранилась почти век. Ещё в 1930-х Фриц Цвикки предположил, что частицы разгоняются ударными волнами сверхновых, но лишь точные данные наших дней позволили заглянуть за кулисы.

Тайна главного излома в спектре галактических космических лучей — колена при 3 ПэВ — хранилась почти век. Ещё в 1930-х Фриц Цвикки предположил, что частицы разгоняются ударными волнами сверхновых, но лишь точные данные наших дней позволили заглянуть за кулисы.

В жаркий полдень над городом нависает душное марево, а на горизонте ни облачка. Обычно в такую погоду остаётся только ждать, когда природа смилостивится и пошлёт прохладу. А что, если бы тень и дождь можно было включать по расписанию, как свет в комнате? Группа исследователей предлагает необычный инструмент для такой «погодной кнопки» — воздушный ускоритель протонов.

Камень падает в пруд, и по воде расходятся круги. Так и свет от далёких галактик расходится во все стороны — спокойно и размеренно. Но в центре некоторых галактик прячется не камень, а настоящая пушка: она выстреливает частицами с чудовищной силой. Астрономы называют такие объекты HSP BL Lac.

Внутри протона кипит жизнь. Кварки там не просто сидят — их склеивают частицы-переносчики, глюоны (от слова glue — клей). Обычно этот клей равномерно размазан, как масло по сковороде. Но когда энергии становятся огромными, глюоны начинают сбиваться в комки. Это и есть глюонный конденсат — сверхплотное состояние клеящего поля.

Две нейтронные звезды — остатки погибших светил, сжатые до размеров города, но весом с целое Солнце — кружатся друг вокруг друга и в конце концов сталкиваются. В этот миг рождается нечто среднее между чёрной дырой и сверхмощным магнитом: поле в миллиарды раз сильнее, чем в самом мощном магнитно-резонансном томографе.

Конец Вселенной — не просто угасание света. Если тёмная энергия — загадочная субстанция, ускоряющая расширение космоса, — разорвёт его в клочья в сценарии Большого разрыва, или если расширение сменится сжатием, возвращающим всё в точку, подобную Большому взрыву наоборот, наступает сингулярность — момент, где привычная физика отказывает.

В самом сердце Млечного Пути что-то светится — но не звёздным светом, а невидимыми глазу гамма-лучами. Телескопы ловят этот избыток уже больше десяти лет, и астрофизики спорят: то ли виноваты быстро вращающиеся мёртвые звёзды — пульсары, то ли частицы тёмной материи сталкиваются и исчезают во вспышке.

В плотном газовом коконе вокруг молодой массивной звезды, словно в гигантской химической колбе, сталкиваются потоки вещества. Один из них движется относительно нас со скоростью около 11 километров в секунду, другой — около 5. Телескоп в Онсале (Швеция) уловил их радиоголоса и разложил на сотни спектральных линий — отпечатков молекул.

Вселенная пронизана невидимой субстанцией — тёмной материей, чьё гравитационное влияние очевидно, но состав остаётся загадкой. Одна из гипотез предполагает, что она состоит из сверхлёгких частиц, масса которых настолько мала, что они проявляют волновые свойства, образуя своего рода космическую рябь.

Космические лучи — это элементарные частицы и атомные ядра, приходящие из глубин космоса и ускоренные до энергий, недостижимых в земных лабораториях. Когда такая частица врезается в атом земной атмосферы, рождается широкий атмосферный ливень — каскад вторичных частиц, который, в свою очередь, генерирует радиоволны.

Переводчик отвлекается на каждый шорох в зале — и час совещания превращается в два. Примерно так же ведут себя глюоны — частицы-переносчики сильного взаимодействия внутри протонов. Обычно они снуют туда-сюда, удерживая кварки вместе.